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Estrusione, il pre-trattamento per incrementare la produzione di biogas
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A
seguito dell’introduzione del Decreto Ministeriale per lo Sviluppo Econo-mico del 6 luglio 2012, gli im-pianti di biogas avviati a partire dal 2013 hanno potuto contare su incentivi governativi decisa-mente inferiori rispetto agli anni precedenti. Chi ha visto significa-tivamente ridursi tali incentivi, sono stati in particolare, gli im-pianti che impiegano esclusiva-mente o quasi, colture dedicate (energy crops) per alimentare il digestore. Essi, rispetto alla ta-riffa omnicomprensiva di 28 cent per kW degli anni precedenti, hanno avuto una riduzione degli incentivi governativi di oltre il 35%. Anche gli impianti che uti-lizzano sottoprodotti e reflui o ri-fiuti, sebbene in misura minore, hanno comunque subito la con-trazione di tali incentivi. È per-tanto fondamentale che i produttori di biogas, ottimizzino l’impiego delle biomasse in in-gresso al digestore, favorendo l’introduzione di un maggior quantitativo di sottoprodotti, e allo stesso tempo, migliorino la degradabilità delle biomasse. Per raggiungere tale obiettivo, sono in fase di studio molti pre-trattamenti delle biomasse. Fi-nora, quelli che maggiormente hanno dimostrato la loro effica-cia nel migliorare la digeribilità delle biomasse, senza compro-mettere il bilancio energetico e/o quello economico, sono stati i trattamenti meccanici.L’estrusione
Un trattamento meccanico
molto interessante, che viene uti-lizzato in molto impianti italiani, è sicuramente l’estrusione. Grazie alla sfibratura delle biomasse, è possibile incrementare la degra-dabilità della sostanza organica
e accelerare il processo di idro-lisi iniziale, facilitando l’accesso dei batteri e degli enzimi ai com-posti organici. L’effetto dell estrusione dovrebbe consistere nell accelerazione del processo anaerobico con conseguente incre-mento della produzione di biogas e metano. L’estrusione determina
ulteriori vantaggi all’interno di un digestore anaerobico, in quanto favorisce la miscelazione delle biomasse e riduce la formazione della crosta superficiale. Tali ef-fetti derivano dal fatto che l’azione meccanica sul materiale aumenta la capacità delle biomasse di as-sorbire acqua. Questo si traduce
Estrusione, il pre-trattamento per
incrementare la produzione di biogas
di Simona Menardo1, Gianfranco Airoldi1, JodyGrazia2, Paolo Balsari11 Università degli Studi di Torino, Dipartimento di Scienze Agrarie, Forestali e Alimentari - sezione Ingegneria dei Bio-sistemi. Largo Paolo Braccini, 1 – 10095 Grugliasco (TO) 2 BTS Biogas Srl/GmbH, Via S. Lorenzo 34, I-39031 Brunico, Bolzano, IT
Per continuare a garantire un certo ricavo agli impianti di biogas, l’introduzione di biomasse meno nobili nella dieta degli impianti,
come sottoprodotti agricoli e industriali, e il miglioramento della degradazione di tali biomasse sono di fatto ormai un obbligo.
L’estrusione, come pre-trattamento per le biomasse, potrebbe rivelarsi una valida soluzione per ottimizzare la degradazione della
sostanza organica anche di biomasse ligno-cellulosiche. In questo studio, le biomasse che costituiscono la dieta di un impianto di
biogas del Nord Italia sono state pretrattate con un estrusore in scala reale e analizzate per determinarne l’incremento produttivo
in termini di metano. È stato inoltre calcolato un semplice bilancio energetico del processo.
Dal 2013, con la riforma degli incentivi per le energie rinnovabili, il sostegno economico da parte del governo Italiano verso i produttori di biogas si è decisamente ridotto ed insieme ad esso anche i ricavi di tutte le attività di questo settore. Soprattutto gli impianti alimentati prevalentemente da colture dedicate hanno risentito di questa riduzione degli incentivi.
Figura 1. Coclee dell’estrusore in azione.
in minore energia necessaria per il funzionamento del sistema di mi-scelazione e minore rischio di dan-neggiamento delle parti meccaniche, in quanto queste sono sottoposte a un sforzo mi-nore.
Alcune componenti del Waste Ma-nagement Group del DISAFA
dell Università di Torino, hanno condotto, con la consulenza tec-nica di BTS Biogas Srl/GmbH di Brunico (BZ), una serie di prove su scala reale, al fine di valutare l’efficacia dell’estrusione su alcune biomasse dedicate e sottoprodotti agricoli, in termini di incremento produttivo e consumi energetici. Per determinare le rese di biogas e di metano delle biomasse, prima e dopo l’estrusione, sono stati im-piegati digestori anaerobici da 2 litri e le prove sono state condotte alla temperatura di 40°C. Le bio-masse testate sono l’insilato di mais, l’insilato di sorgo e l’insilato di paglia di riso e una miscela di queste tre biomasse.
Pre-trattamento delle biomasse tramite estrusione
Le biomasse sono state prelevate presso un impianto di biogas del Piemonte. L’estrusione è stata ese-guita sulle singole biomasse e su una miscela costituita dalle tre biomasse nel seguente rapporto percentuale espresso sul peso fre-sco: 53% di insilato di mais, 36% di insilato di sorgo e 11% di insilato di paglia di riso. L’estrusore utilizzato per il pre-trattamento è stato fornito da Lehmann Maschinenbau GmbH, Pöhl, Germany, ed è stato svilup-pato e integrato da BTS Biogas
Figura 3. Produzioni medie di metano delle biomasse estruse a due livelli di intensità (60 e 100) e non estruse.
Figura 4. Velocità di produzione di metano per la paglia di riso non trattata e trattata con estrusore.
Per continuare a garantire un certo ricavo agli impianti di biogas, l’introduzione di biomasse meno nobili nella dieta degli impianti, come sottoprodotti agricoli e industriali, e il miglioramento della degradazione di tali biomasse, è di fatto ormai un obbligo.
V elocità metano [IN /kgSV per giorno] Metano [I N /kgSV -1 ]
Srl/GmbH. In particolare, l’estru-sore utilizzato è composto da due coclee controrotanti azionate da due motori con potenza nominale totale di 74kW (Figura 1). L’estru-sore è installato nel sistema di ali-mentazione del digestore tra i due convogliatori che portano la bio-massa dalla tramoggia alla prima vasca di digestione. L’utilizzo dell’estrusore è facoltativo. La bio-massa viene caricata dall’alto e ca-dendo per gravità nello spazio dove si trovano le coclee viene estrusa e spinta orizzontalmente verso un foro di uscita, la cui di-mensione può essere regolata in modo da controllare l’intensità del trattamento. Le prove sono state
condotte con due diverse regola-zioni dell’apertura di uscita, nel primo caso l’apertura è stata la-sciata completamente (100) aperta, nel secondo caso si è te-nuta aperta solo al 60% (60). Caratteristiche chimiche delle biomasse e potenziale produttivo di biogas e metano Per tutte le biomasse utilizzate nel corso delle prove sono state effet-tuate le seguenti determinazioni: pH, solidi totali (ST), solidi vola-tili (SV), cellulosa, emicellulosa, li-gnina, proteine, grassi, amido e zuccheri.
L’efficacia della bioestrusione, in
termini di produzione di biogas e di metano, è stata determinata in laboratorio introducendo le bio-masse, tal quali e sottoposte a trat-tamento di estrusione (Figura 2) a due diversi livelli di intensità, in reattori batch.
Valutazioni energetiche
Per la valutazione energetica sono stati considerati entrambi i due li-velli di intensità del trattamento (apertura dell’estrusore al 100% e al 60%). Durante le prove, l’assor-bimento elettrico del motore del-l’estrusore è risultato compreso fra 48A (quando le coclee giravano a vuoto) e 190A, quando operava su
biomasse molto fibrose (come la paglia di riso). La capacità di la-voro dell’estrusore, è risultata compresa tra 4,2 e 6,6 tonnel-late per ora.
L’energia elettrica, ottenuta tra-mite co-generazione dal metano prodotto dalle biomasse estruse e non estruse, è stata calcolata (kWhel per tonnellata di peso fre-sco) considerando un rendimento elettrico del co-generatore pari al 40%.
Risultati ottenuti
In tabella 1 sono riportati i para-metri chimici delle biomasse ana-lizzate. La paglia di riso ha mostrato un valore di umidità piuttosto elevato, ma in linea con la raccolta della paglia in piedi avvenuta dopo trebbiatura con impiego di testata stripper. In questo modo la paglia mantiene un maggiore contenuto di acqua, che la rende maggiormente adatta alla conservazione tramite insilamento. Il contenuto di ce-Tabella 1. Composizione chimica delle biomasse analizzate nello studio.
pH ST SV Ceneri Proteine Grassi Zuccheri Amido Emic Cel Lignina [%] [% su ST]
Miscela 4,1 35.1 86.9 13.1 8.1 2.7 2.6 18.1 19.4 26.9 4.1 Insilato di mais 4,2 36.1 96.0 4.0 8.6 2.9 1.2 27.7 15.0 23.3 2.9 Insilato di sorgo 4,1 35.6 89.8 10.2 7.7 2.7 6.4 3.4 22.7 35.5 4.7 Insilato di paglia di riso 3,8 30.3 78.8 21.2 4.7 1.5 0.6 9.9 43.2 16.8 7.1
neri, pari al 20%, pur essendo molto alto, è tipico per questo sottoprodotto agricolo, a causa del suo elevato contenuto di os-sidi di silicio. I valori di proteine e grassi sono risultati molto si-mili nell’insilato di mais e nell’in-silato di sorgo, al contrario, tali valori sono risultati decisamente inferiori nell’insilato di paglia di riso, così come anche la concen-trazione di zuccheri. Nonostante il ridotto contenuto di zuccheri presenti nella paglia di riso, la qualità di tale insilato si è rive-lata molto buona e la biomassa si è conservata in ottime condi-zioni. Il valore di pH determinato nella paglia di riso dopo insila-mento era pari a 3,8, valore che conferma la buona riuscita del processo di insilamento.
Emicellulosa e lignina hanno pre-sentato valori elevati nella paglia di riso (43,2% e 7,1%, rispetti-vamente), mentre la cellulosa è stata riscontrata in percentuali maggiori soprattutto nell’insilato di sorgo (35,5%).
Come atteso, l’insilato di mais ha presentato il minore contenuto di composti ligno-cellulosici così come la miscela, costituita per oltre il 50% da insilato di mais. L’estrusione ha sempre miglio-rato la produzione di metano delle biomasse analizzate, con l’esclusione dell’insilato di paglia di riso (Figura 3).
I composti organici, contenuti nella paglia di riso, non facil-mente digeribili durante la fer-mentazione anaerobica, non sono risultati più degradabili dai microrganismi per effetto del pre-trattamento. Inoltre, l’assenza di particelle di elevate
dimensioni nella paglia di riso, come semi o parti di stocco, che al contrario si ritrovano nel mais, non ha favorito l’azione mecca-nica dell’estrusore. In questo stu-dio la percentuale di sostanza organica degradata nella paglia di riso dopo la sua digestione anaerobica è stata pari al 58%, indipendentemente dall’azione dell’estrusore. Con le altre bio-masse, invece, l’estrusione ha aumentato significativamente la resa di metano, ma nessuna differenza si è osservata tra i due livelli di intensità del pre-Tabella 2. Valutazione energetica dell’estrusione eseguita sulle bio-masse a due livelli diversi di intensità (apertura al fondo delle coclee completamente [100] e parzialmente aperta [60]).
Campioni Capacità Energia Energia Efficienza*** di lavoro input* output**
t·h-1 kWh el·t-1di peso fresco Miscela 100 5,2 12,0 66,5 5,5 Miscela 60 5,2 12,9 66,5 5,2 Insilato mais 100 6,6 9,2 74,3 8,0 Insilato mais 60 6,6 10,2 74,3 7,2 Insilato sorgo 100 6,2 11,7 33,4 2,9 Insilato sorgo 60 6,2 13,0 33,4 2,6 Insilato paglia riso 100 4,2 19,8 n.d. n.d. Insilato paglia riso 60 4,2 23,8 n.d. n.d.
*Energia input: energia richiesta per l’estrusione delle biomasse.
**Energia output: aumento di energia calcolato come differenza tra l’energia prodotta dalle biomasse estruse e l’energia prodotta dalle biomasse non estruse.
***Efficienza: calcolata come rapporto tra l’energia output e l’energia input.
L’estrusione migliora la degradabilità di quelle biomasse caratterizzate dalla presenza di semi o parti di dimensioni maggiori che possono essere spezzate durante il processo.
trattamento. La miscela estrusa ha prodotto circa il 12% in più rispetto allo stesso campione non estruso. Risultati molto simili sono stati ottenuti anche per l’in-silato di mais, mentre l’inl’in-silato di sorgo ha mostrato un incremento produttivo inferiore, pari solo all’8%.
I dati ottenuti da questo studio sono comparabili a quelli otte-nuti in studi simili condotti dall’Università di Aarhus in Da-nimarca.
Analizzando la velocità di produ-zione del metano, si è osservato che, per tutte le biomasse in-clusa la paglia di riso, si è ot-tenuta una rilevante accelerazione del processo pro-duttivo (Figura 4).
Tale miglioramento si è osservato per entrambi i livelli di intensità del trattamento, 60% e 100%. Pertanto, sebbene l’estrusione non sia stata in grado di aumen-tare la resa totale in metano della paglia di riso, essa ha comunque consentito di migliorarne la
dige-stione, accelerandone l’idrolisi e riducendo il tempo di degrada-zione di circa 4 giorni rispetto alla paglia di riso non estrusa. Nel presente studio l’energia ri-chiesta per l’estrusione di una tonnellata di biomassa è risultata compresa fra 9,2 e 23,8 kWhel e strettamente correlata con la ca-pacità di lavoro dell’estrusore (R2=0.8610) (Tabella 2),
que-st’ultima è risultata fortemente influenzata dal contenuto di so-lidi totali delle biomasse e dalla loro fibrosità.
La richiesta di energia per l’estrusione è risultata essere cor-relata all intensità del tratta-mento ed è aumentata quando è stato ridotto il diametro del foro di uscita del materiale dall’estru-sore.
Dalle prove effettuate è emerso come l’incremento di energia elettrica ottenuto con l’estru-sione sia risultato massimo nel caso dell’insilato di mais quando il foro di uscita dell estrusore era completamente
aperto (con un aumento di 74,3 kWhel·t-1
contro i 9,2 kWhel·t-1
richiesti dal trattamento e con un rapporto energia ottenuta su energia immessa pari a 8,0). L’ef-ficienza energetica dell’estrusione rispetto alla miscela è stata infe-riore rispetto a quella ottenuta per l’insilato di mais, a causa della paglia di riso e dell’insilato in essa presente, che ha incre-mentato l’energia richiesta per il trattamento.
Poiché nessuna differenza si è evidenziata tra i due livelli di in-tensità del trattamento, si ritiene più adeguato l’uso dell apertura completamente aperta, in ra-gione del fatto che implica un minore consumo di energia. Conclusioni
La tecnica di pre-trattamento delle biomasse da inviare al dige-store che prevede l’uso di un estrusore risulta essere sicura-mente interessante in quanto in grado di migliorare la digeribilità
di alcune biomasse, grazie alla sua capacità di sfibrarle e rom-pere alcuni legami complessi tra composti organici.
In particolare, dalle prove effet-tuate sull’estrusore messo a punto dalla BTS Biogas Srl/GmbH di Brunico (BZ), è emerso che l’estru-sione migliora la degradabilità di quelle biomasse caratterizzate dalla presenza di semi o parti di dimensioni maggiori che possono essere spezzate durante il pro-cesso.
Inoltre, esso e anche in grado di migliorare la digestione anaero-bica di biomasse più recalcitranti, come la paglia di riso, acceleran-done la velocità di produzione del metano. Da una prima valuta-zione energetica emerge un bilan-cio positivo, considerando anche la capacità dell’estrusione di mi-gliorare la miscelazione delle bio-masse nel digestore e ridurre la formazione di crosta superficiale. Ulteriori studi su questi vantaggi operativi sono attualmente in corso. •
